数字存储示波器的设计

数字存储示波器的设计一．设计目的掌握虚拟仪器整体设计方法，熟悉数据采集和IVI仪器驱动器，掌握仪器控制，设计大型基于虚拟仪器软硬件系统的数字存储示波器。二．设计所需仪器和软件平台名称数量备注PC机一台预装Windows2000和LabVIEW等信号发生器一台用于产生信号LabjackU12数据采集控制器一套用于连接信号发生器与PC机USB接口线一根LabVIEW7.1一套装入PC机示波器一台用于观测信号发生器实际输出波形三．设计内容设计一大型基于虚拟仪器软硬件系统的数字存储示波器，能从外界采集数据并在PC机上显示，并能对波形进行频谱分析和存储。熟悉DSO-2902综合虚拟仪器的使用。示波器是显示、观察和测量电信号的典型装置。它能观察电信号的动态过程和测量电信号的各种参数，例如交流电的周期、幅度、频率及相位等；在测试脉冲信号时，响应非常迅速，而且波形清晰可辨。另外当非电信号转变为电信号时，示波器也可用来测量温度、压力、热等非电工程和物理量，用途非常广泛。示波器的种类很多，按用途和特点可分为以下几种：1．通用示波器它是采用单束示波管的宽带示波器。2．多踪示波器它能同时显示两个以上的波形，并对其进行定性、定量地比较和观测，而且每个波形是由单独的电子束产生的。3．取样示波器它采用取样技术，把高频信号模拟成低频信号，再用通用示波器的原理显示其波形。4．数字示波器它不但具有通用示波器的功能，而且还具有对信号波形进行存储、提取和运算的功能。数字示波器由衰减器、垂直放大器、模数转换器、触发器、通道存储器、微处理器、显示屏等部分组成。衰减器能调整输入波形的刻度，设置输入耦合和示波器的输入衰减；垂直放大器提供输入波形的其他刻度调整，把波形送入模数转换器和触发器；模数转换器对输入波形进行采样，并把它转换成样本点；示波器把样本点保存在通道存储器中，以进一步的处理；微处理器从通道存储器得到样本点，并在显示屏上绘制样本点之前进行所选择的任何后处理。5．虚拟式示波器虚拟示波器是在数字示波器的理论基础上发展起来的，也是最早、最成功的虚拟仪器产品之一。借助计算机平台的运算处理功能和Windows等操作系统的图形用户界面(GUI)，虚拟示波器能够实现大量存储、方便输出、实时捕捉和智能化的显示交互、比较测量、自动测量，以及对数据进行不同的处理，包括FFT、时频分析等功能，且其采样频率由数据采集卡决定，范围一般为0—100MHz。通过软件的扩展，可以满足各种通用和专用示波器的需求。一、虚拟式示波器的系统原理虚拟示波器必须符合数字示波器的规范和主要的功能指标，需要在以下几方面和传统示波器保持一致。1．带宽正弦输入信号衰减3dB所对应的频率范围称为示波器的带宽。要使测量精度优于2%,所需示波器带宽可由检测信号中的最高频率乘以5确定。2．采样即要求A/D量化后的数据和真实信号高度一致。可以从采样频率和频率分辨率两个方面予以保证。3．存储及输出功能保证示波器有记忆功能，虚拟示波器可在硬盘上存储波形数据来实现。4．触发功能触发功能决定何时和如何进行采样。5．分析功能由于仅在时域里观察波形往往发现不了或者不能准确发现信号中隐含的特征信息，需将原始信号进行一定的处理，从不同的侧面理解信息，发现问题。数字示波器已经具有很强大的运算和分析处理能力，虚拟示波器则在继承的基础上，扩展了新的功能。二、虚拟式示波器的功能特征及实现虚拟示波器由计算机、数据采集卡和分析处理软件构成。其功能结构如图所示。其中：参数测量模块完成包括电压参数、频率和周期等参数的测量功能，具体为：上升时间（Risetime）、下降时间（Falltime）、频率（Frequency）、周期（Period）、正脉宽（＋width）、负脉宽（－width）、占空比（Dutycy）、延迟（Delay）、峰峰值（VP-P）、最小值（V-MIN）、最大值(V-MAX)、均方值(V-RMS)、幅度(V-AMP)、平均值（V-AVG）。多波形显示与运算模块提供了A+B、A-B、A、B、-A、-B、XY以及A和B同时显示等显示模式。1．存储和提取波形虚拟示波器必须具备两种工作状态：采样状态和回放状态。当示波器处于采样状态时，数据来自A/D转换器，此时实时显示输入端的电压波形。当示波器处于回放状态时，数据来自计算机内存，此状态可显示已采集的数据或读出原先保存的历史数据。当示波器处于采样状态时，点击“开始”键示波器开始采集数据并实时显示采集的波形；点击“暂停”键可暂停显示；使用“保存”键可把已采集的数据存盘。当示波器处于回放状态时，点击“开始”键打开文件进行回放显示；点击“暂停”键暂停。2．数学运算虚拟示波器可以进行波形的加、减、乘、除、微分、积分、对数、指数、代数表达式运算等，以便发现信号或信号间的关系。而且，还可以将复杂信号经FFT变换后在频域中观察分析，这是传统示波器难以实现的。3．丰富的显示虚拟示波器不仅具有多种动态曲线显示方法、对信号缩小等功能，还具有直方图、XY显示功能。4．测量和自动测量虚拟记忆示波器的测量参数主要包括：振幅----最大值，最小值，峰-峰值，均值，均方根值等。时间----上升时间，下降时间，正脉宽，负脉宽，占空比，延迟，频率等。直方图相关测量----波形数，中值，最大值，最小值，峰-峰值，平均值等。四．设计步骤1.编写设计方案根据上面的实验要求以及实验用到的仪器特点，进行VI总体设计，确定功能模块结构图和详细的流程图。保证所需的软件平台、板卡驱动程序及相应的DLL已经安装在PC机上。2.设计虚拟示波器前面板参照实际示波器的外部操作平台，结合虚拟仪器面板自身的特点及功能要求，在充分考虑操作界面的友好性及美观的基础上，首先设计出虚拟示波器前面板的大致布局，并在前面板中依次放入所需控件。记住要给各控件取名，以便区分。3.设计框图程序设计时要充分考虑如何实现本虚拟示波器的功能要求，并使程序简洁化，便于阅读与维护。注意：对于较为复杂的程序，第（3）步和第（2）步往往是交叉进行的。4.调试程序程序的调试应分为两个部分，一是在编辑各SubVI及某些功能模块时，就进行相应的调试；二是整个程序完成后，进行调试。第二部分要做的工作包括：保证程序没有语法错误，能够运行；确保程序能和硬件协同工作，对硬件进行各种控制；确保硬件输出的信号波形和用户设置的一致；保证程序能实现预先设计的全部功能。5.进一步完善前面板并对程序属性进行设置。进一步对仪器前面板进行布置和美化，同时要确保面板的易操作性。五．设计结果：前面板：后面板：运行结果：六．总结：我们这次做的单通道示波器，在实验一信号发生器的基础上，把波形的时间和幅度通过两个可调范围的按钮进行控制，时间和幅度这两个变量的控制可以通过case结构来实现。